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Le Micro Smart Grid e la Generazione Distribuita: il progetto Zeus
Autori: Antonella Scaglia, Claudio Brocca, Giordano Torri
Ansaldo Sistemi Industriali - S.p.A. Milano, viale Sarca 336
www.asiansaldo.com
Abstract:
Il termine “Energia” richiama la necessità di riduzione delle emissioni di CO2, di
miglioramento dell’efficienza energetica, di risparmio energetico. La produzione di energia fa
leva oggi sulle fonti rinnovabili, le quali stanno contribuendo in maniera massiccia alla
soluzione di questi problemi. Le utenze invece tendono a ridurre e ad ottimizzare i consumi
grazie ai moderni controlli elettronici. Rimane però una questione di fondo non
completamente risolta riguardante l’integrazione delle sorgenti distribuite nelle reti elettriche.
Di fatto queste ultime hanno modificato l’assetto delle reti (si tratta di sorgenti distribuite sul
territorio che modificano i flussi di energia) ed hanno introdotto una produzione aleatoria in
quanto legata a fattori ambientali. Il progetto Zeus vuole essere una proposta innovativa per
l’integrazione in rete delle sorgenti rinnovabili al fine di un loro utilizzo ottimo: le
funzionalità di gestione della micro rete operate da un sistema di controllo intelligente
vengono indirizzate fino all’estrema integrazione dei convertitori elettronici utilizzati per la
produzione di energia, l’utilizzo dei carichi e la connessione verso la rete elettrica. Il progetto
Zeus significa un sottoinsieme di una rete che riunisce al proprio interno sia capacità di
produzione, sia gli utilizzatori, il tutto gestito da un sistema di controllo intelligente. Nasce
così la “micro rete intelligente” un sistema che può vivere sia di vita propria che connessa alla
rete principale con lo scopo di massimizzare l’uso delle rinnovabili, di aumentare l’efficienza
ed il risparmio energetico, bilanciando al proprio interno la produzione ed il consumo di
energia. Una soluzione adatta sia per reti esistenti sia per zone remote da elettrificare per le
quali non è praticabile (sia per ragioni tecniche che di costo) trasportare energia con lunghe
linee elettriche.
1 Introduzione.
Le fonti di energia rinnovabile hanno trovato grande impulso negli ultimi anni e hanno di
fatto introdotto il concetto di generazione distribuita. Se consideriamo per esempio impianti
fotovoltaici oppure gli eolici è facile constatare che essi condividono alcune peculiarità: sono
di potenza ridotta rispetto alla potenza installata in una centrale elettrica convenzionale, sono
distribuiti in grande numero su tutto il territorio nazionale, occupano ampie superfici,
iniettano energia sulla rete elettrica alterando lo schema radiale della rete stessa e la loro
produzione di energia è aleatoria in quanto strettamente dipendente sia da fattori climatici sia
dal ciclo giorno-notte. Le fonti di energia distribuite hanno inoltre modificato il concetto di
utente, il quale oggi si identifica in un soggetto che al tempo stesso può essere sia
consumatore di energia sia produttore di energia. Questo concetto si riallaccia all’idea di poter
produrre energia nel luogo stesso dove può essere usata immediatamente.
L’evidente conseguenza della generazione distribuita sulla rete di distribuzione dell’energia si
manifesta nella gestione dei flussi di energia, di fatto non più unidirezionali e in una certa
misura non comandabili in produzione. L’integrazione delle sorgenti distribuite è quindi una
priorità, allo scopo di gestire adeguatamente i flussi di energia e di sfruttare al massimo la
produzione non costante di energia. Avendo a che fare con moltissimi impianti di dimensioni
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molto varie (si parte da qualche kW ad uso domestico e si arriva a diverse decine di MW) ci si
chiede quale possa essere in questo caso una soluzione efficiente.
Un modello che può contribuire alla soluzione senza intaccare l’infrastruttura di distribuzione
esistente può essere quello delle Micro Reti Intelligenti. Nasce da queste considerazioni il
progetto Zeus, acronimo per Zero Emission Urban Solution, ovvero un modello che consente
di privilegiare la produzione da fonte distribuita ed al tempo stesso guarda all’uso efficiente e
razionale della stessa energia.
2 Zeus: la Micro Rete Intelligente.
La generazione distribuita ed il concetto di efficienza energetica sono alla base del modello di
micro rete intelligente. Una micro rete è definita da un insieme di risorse che producono
energia (tipicamente i generatori distribuiti) e da carichi che la usano. Questa struttura può
essere concepita sia come unità
autonoma sia come un sottoinsieme
della rete principale. In quest’ultimo
caso condividerà con la rete
principale un punto di
interconnessione.
L’elemento qualificante del sistema
micro rete è la capacità interna di
gestione dei flussi di energia per
mezzo di un sistema intelligente di
comando, supervisione e di
controllo.
Il progetto Zeus si pone quindi
l’obiettivo di risolvere su piccola-
media scala l’integrazione delle energie rinnovabili e di mantenere in equilibrio la rete
mediante la capacità di interagire sia con i carichi sia con i generatori sia con la rete esterna,
pianificando il livello di produzione necessario e predisponendo gli opportuni piani di
livellamento al fine di equilibrare la domanda e l’offerta.
In questa situazione si può gestire la rete anche senza ausilio di elementi di
immagazzinamento dell’energia ottenendo un funzionamento equilibrato per quanto riguarda
la stabilità della rete e adeguato alle
risorse che usano energia.
La micro rete intelligente è però
costruita con un concetto modulare
che consente di poter aggiungere
componenti in maniera automatica.
La predisposizione per elementi di
accumulo, di qualunque natura essi
possano essere è quindi una
prerogativa intrinseca del progetto.
Questi ultimi elementi possono
essere visti dal sistema di comando e
di controllo della micro rete sia come
elementi utilizzatori (quando
immagazzinano energia) sia come elementi produttori (quando sono chiamati a generare) e di
conseguenza la loro aggiunta non detta modifiche sostanziali.
Figura 1- Micro rete intelligente, visione d'insieme.
Figura 2- La micro rete e l'interconnessione con la rete
principale.
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La micro rete intelligente è quindi chiamata a gestire su un determinato territorio la
produzione locale (associabile ad un futuribile accumulo di energia), il consumo di energia e
lo scambio con la rete principale ai fini di rendere massima l’efficienza energetica e l’utilizzo
delle sorgenti rinnovabili.
Una peculiarità della micro rete intelligente è di poter funzionare sia autonomamente (staccata
dalla rete principale, ovvero in “isola”) sia collegata alla rete principale o con altre micro-reti,
con una modalità semplice ed immediata, grazie alla capacità di gestione dei flussi di energia
di cui è dotata. Una semplice schematizzazione della micro rete intelligente è mostrata in fig.
1, dove in maniera olistica si descrive come produzione (da diverse fonti) e uso di energia
(qualunque esso sia) si integrano sotto il controllo di un sistema intelligente centrale.
La fig. 2 mostra come le singole micro reti intelligenti possano convivere in uno scenario
esistente, senza perturbarne l’assetto e gestendo al proprio interno la tipica variabilità di
produzione di energia da fonte rinnovabile.
Scendendo ad un dettaglio più tecnico, la fig. 3 mostra le principali apparecchiature che
costituiscono una micro rete intelligente: la generazione locale (distribuita), il controllo di
potenza dei carichi, l’interfaccia verso al rete principale e il sistema di comando, controllo,
supervisione della micro rete intelligente.
Notiamo quindi come due
tecnologie sono alla base della
struttura di una micro rete
intelligente: l’elettronica di
potenza e l’informatica, nel senso
più ampio del termine. La prima è
certamente l’asse portante sia per
produrre energia in rete sia per il
controllo dei carichi, mediante
apparati di potenza che possano
garantire elevata qualità
dell’energia ed elevata sicurezza di
servizio. La qualità dell’energia in
primo luogo significa contenere a
livelli bassi sia la distorsione
armonica della tensione sia le
emissioni elettromagnetiche ad alta
frequenza, poiché ambedue comportano disturbi al funzionamento di apparecchiature e
maggiori perdite (minor efficienza) nel sistema. In secondo luogo significa garantire la
continuità di servizio in presenza di eventi che perturbano la rete. La tecnologia informatica
dal canto suo è chiamata a risolvere le strutture HW e SW necessarie per l’implementazione
del sistema di comando, supervisione e controllo nel suo complesso.
3 La Generazione Distribuita.
La cosiddetta “generazione distribuita” annovera in sé diversi metodi di produzione di energia
elettrica. Al fine di definire un modello di micro rete intelligente occorre farne una
classificazione in base a due distinti parametri: il tipo di servizio offerto e il tipo di
apparecchiatura destinata a generare energia verso la rete.
Il primo parametro pone una distinzione tra le sorgenti di energia capaci di produrre in
maniera continua e controllabile e quelle a carattere variabile (ovvero dipendenti da fattori
non controllabili quali quelli climatici). Le più importanti sorgenti rinnovabili (eolico e
fotovoltaico) sono in prevalenza aleatorie, diversamente da quanto accade per le sorgenti
Figura 3- Schema della micro rete intelligente.
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convenzionali. Stante questa caratteristica è chiaro che queste da sole non potrebbero
soddisfare al fabbisogno energetico di una rete, seppur piccola. E’ necessario quindi che la
micro rete intelligente possa essere alimentata da ulteriori sorgenti di energia elettrica di tipo
continuo e controllabile oppure che sia connessa alla rete principale in modo tale che la
produzione aleatoria possa essere compensata agendo o sulle sorgenti controllabili oppure
variando il prelievo dalla rete principale.
Innanzi tutto è importante calcolare quale sia il contributo delle sorgenti a carattere aleatorio
rispetto alla potenza complessiva richiesta dalla micro rete intelligente. Se la potenza generata
da sole o da vento fosse rilevante, come ci si può aspettare con l’incentivazione delle fonti
rinnovabili, risulterebbe però immediato pensare che la micro rete debba disporre di
altrettanta capacità di produzione di tipo continuo e regolabile in back-up (prevalentemente di
tipo convenzionale) per sopperire alle carenze delle fonti rinnovabili quando esse non erogano
per assenza o di sole o di vento.
Posto in questi termini il problema avrebbe una soluzione semplice ma poco economica,
perché significa fare un grosso investimento in energie rinnovabili per poi aggiungere
altrettanta capacità di produzione di natura convenzionale a motivo di permettere un consumo
incontrollato di energia.
E’ più economico ed in
linea con le richieste di
riduzione di CO2
limitare il ricorso alle
sorgenti di tipo
convenzionale dotando la
micro rete intelligente di
una capacità di controllare
gli assorbimenti dei
carichi in funzione della
disponibilità della
produzione.
Vi è quindi la necessità di
associare la potenzialità di
produzione di energia
rinnovabile alla modalità
di controllo dei carichi. E
questo può avvenire solo
se la rete è intelligente,
ovvero se è dotata di un
proprio sistema di
comando, controllo e
supervisione.
Per completezza, occorre
notare che esistono
sorgenti definite
rinnovabili che possono
erogare con continuità
energia. Tra queste si
annoverano: sorgenti
idrauliche, a biomasse e potenzialmente le fuel-cells. Va da sé però che i termini economici
esposti sopra non si spostano perché il grosso sviluppo delle rinnovabili oggi è molto
concentrato su sole e vento e quindi su sorgenti a carattere aleatorio.
Figura 4-Funzioni di supporto alla rete per generatori distribuiti.
Figura 5- Connessione in rete durante i transitori.
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Il secondo parametro riguarda invece la distinzione esistente tra i generatori di tipo rotante e
quelli di tipo statico. Le sorgenti rinnovabili utilizzano ampiamente convertitori statici per
immettere energia in rete. Questi sono chiamati a funzionare in parallelo con le altre sorgenti
di energia che sono macchine elettriche rotanti.
Per sua natura la macchina elettrica produce tensione sinusoidale, genera potenza attiva e
reattiva, funziona in parallelo con gli altri generatori e fornisce in caso di guasto corrente
sufficiente alla apertura dei sistemi di protezione.
I regolamenti in uso prevedono che i convertitori statici
destinati per la connessione in rete delle fonti rinnovabili
funzionino col concetto di “inseguire” la rete piuttosto
che essere considerati al pari di una qualunque macchina
sincrona che produca energia in una centrale elettrica. [3]
A tale scopo i convertitori statici devono essere
equipaggiati con funzionalità tali da consentire una
integrazione in rete. I principali regolamenti oggi
richiedono che si possa ridurre la potenza attiva immessa
in rete quando la frequenza di rete è in aumento oltre una
certa soglia, oppure che si possa immettere o prelevare
energia reattiva secondo una certa legge dettata dal valore
della tensione oppure che l’immissione di potenza attiva
avvenga ad un predeterminato fattore di potenza funzione
del livello della potenza immessa. Va inoltre aggiunto
che in caso di perturbazioni di rete si richiede al sistema
di generazione di rimanere connesso alla rete secondo un
determinato profilo di tensione-tempo. Le figure 4 e 5
mostrano i requisiti sopra esposti.
In una micro rete però la potenza generata tramite
convertitori statici può assumete valori rilevanti. Ne
consegue che le funzionalità richieste al convertitore
statico possano subire modifiche sostanziali rispetto a
quanto sopra esposto. In questi casi il generatore statico
può assumere un ruolo attivo nel controllo sia della
tensione che della frequenza di rete. Si parla quindi di
controllo primario di frequenza, ovvero della capacità del
convertitore di adeguare la frequenza da esso generata in
funzione della potenza attiva prodotta. La fig. 6 mostra la
legge di regolazione Frequenza-Potenza ed in essa si nota
anche il necessario
statismo. E’ poi
automatico associare
anche la possibilità della
regolazione secondaria di
frequenza. Discorso
parallelo anche per la
regolazione della
tensione, che può essere
controllata in funzione
della potenza reattiva
prodotta. La fig. 7 mostra
la legge di regolazione Figura 8- Convertitore per fotovoltaico.
Figura 6- Regolazione di frequenza vs.
potenza attiva.
Figura 7- Regolazione di tensione vs.
potenza reattiva.
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Tensione-Potenza (sempre col proprio statismo) necessaria in tal caso.
La soluzione maggiormente adatta per immettere energia in rete mediante convertitore statico
è chiamata inverter Active Front End.
4 L’immissione in rete di energia tramite inverter Active Front End.
La immissione in rete di energia mediante inverter Active Front End è riassumibile secondo
gli schemi di fig. 8 e 9.
In esse si mettono a
confronto due casi
significativi: il primo
caso riguarda la
produzione di energia
da sorgente di tensione
continua, quale può
essere il pannello
fotovoltaico. In tal caso
il convertitore statico possiede un solo
stadio di conversione che riceve in
ingresso una tensione continua e
produce in uscita una tensione alternata
di ampiezza e frequenza compatibile
con quella presente in rete, utilizzando
il principio della modulazione pwm.
Per estensione, questa soluzione si
applica anche al caso della connessione
in rete di elementi di storage di energia,
quali per esempio le batterie.
Trattandosi di un convertitore di tipo
reversibile, esso può controllare sia la
carica che la scarica delle batterie ad
esso collegate, avendo come ingresso di
regolazione la richiesta dal sistema
centrale di controllo della micro rete la
necessità di immagazzinare oppure di
cedere energia in rete.
Il secondo caso di fig. 9
riguarda invece la connessione
in rete di una sorgente a
tensione alternata ma di
frequenza ed ampiezza variabili,
quale può essere un generatore
sincrono a magneti permanenti
trascinato a velocità variabile da
una turbina eolica oppure da una
turbina idraulica. In questo
secondo caso si usa un
convertitore statico che opera in
Figura 9-Convertitore per generatore eolico.
Figura 11- Schema controllo inverter AFE.
Figura 10- Vettori corrente attiva e reattiva prodotte da
inverter AFE.
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due fasi, convertendo dapprima la tensione alternata variabile, prodotta dal generatore, in
tensione continua e generando da quest’ultima in uscita verso la rete una tensione alternata di
ampiezza e frequenza compatibile con quella presente in rete.
Si può facilmente notare come entrambe le soluzioni abbiano in comune il metodo di
conversione da tensione continua a tensione alternata verso la rete, detto appunto inverter
Active Front End (AFE). L’inverter AFE che opera questa conversione, permette di ottenere
un funzionamento del tutto analogo a quello di una macchina rotante e quindi di operare
secondo le due modalità espresse al precedente paragrafo.
L’inverter AFE assume
quindi una valenza
generale per la produzione
di energia elettrica da fonte
non convenzionale,
qualunque essa sia e adatto
ad immettere energia sia in
reti “deboli” sia in reti
robuste.
Queste funzionalità
derivano strettamente dalla
modalità con la quale
l’inverter AFE può
controllare le componenti di corrente attiva e reattiva scambiate con la rete. La fig. 10 mostra
come l’inverter AFE possa operare nei 4 quadranti di energia attiva e reattiva grazie alla sua
capacità di controllo separato delle due grandezze, indipendentemente sia dal segno sia dal
valore di ciascuna di esse, secondo lo schema mostrato in fig. 11. Queste capacità di
regolazione sono usate sia in condizioni di normale funzionamento che di transitorio di rete.
E’ grazie a questa capacità
di controllo bidirezionale
dell’energia che l’inverter
AFE può anche collegare
alla rete elementi di
accumulo di energia
costituiti da banchi di
batterie, come mostrato in
fig. 12. Le funzionalità
espresse in precedenza
consentono quindi di
prelevare energia dalla rete
nei momenti in cui vi è
sovrabbondanza di
produzione e di immetterla
di nuovo quando c’è
maggior richiesta. Questa
funzionalità offerta
dall’inverter AFE consente di mitigare gli effetti della incostanza della produzione di energia
da fonte rinnovabile.
La soluzione AFE si distingue quindi per il suo utilizzo generalizzato per la produzione di
energia elettrica in tutti quei casi dove non è applicabile il concetto di macchina elettrica
connessa alla rete. [1], [2], [4].
Figura 12- Sistema di accumulo energia con batterie.
Figura 13- Inverter per controllo carichi.
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5 Regolazione di potenza dei carichi.
L’efficienza energetica richiede un uso estensivo di convertitori statici per regolare il
consumo di energia dei carichi in maniera ottimale. Si tratta in prevalenza di sistemi per
controllo motori a velocità variabile, destinati soprattutto al comando di pompe, ventilatori e
compressori. Come già ampiamente dimostrato, in questi casi l’uso dell’inverter comporta un
aumento dell’efficienza ed un consistente risparmio energetico [5].
Il termine inverter racchiude in sé un’ampia casistica di apparecchiature, disponibili in diverse
versioni. La loro installazione su reti deboli richiede qualche considerazione in merito alla
distorsione armonica che esso può produrre sulla rete stessa.
Nella versione più semplice e nota l’inverter presenta verso la rete un ponte a diodi in
configurazione esafase, la quale è nota per le emissioni armoniche di corrente di ordine 5, 7,
11, 13, ..... la cui ampiezza è inversamente proporzionale all’ordine della stessa armonica. La
fig. 13 mette in evidenza questa configurazione.
Le armoniche di corrente danno origine a distorsione armonica della tensione. Quando le
potenze dei carichi alimentati da inverter diventano significative rispetto alla potenza di corto
circuito della rete la distorsione armonica della tensione può assumere valori inaccettabili.
Occorre quindi mitigare l’emissione delle armoniche con una delle seguenti tecniche: o
utilizzare stadi d’ingresso in configurazione maggiore di 6 (salire quindi a 12 o 18 impulsi),
oppure usare un inverter del tipo AFE che provvede a prelevare energia senza sostanziale
distorsione armonica.
La configurazione dell’inverter AFE per il comando di un motore è la stessa già oggetto di
quanto discusso per la generazione di energia, con specifico riferimento alla fig. 9. Il
convertitore AFE è reversibile e quindi può funzionare sia per la generazione di energia che
per il controllo del carico. Calcoli accurati della rete con tutti i suoi carichi permette di
definire la topologia più adatta per l’inverter.
6 Interfaccia di potenza tra la micro rete e la rete esterna.
Nella più semplice implementazione il collegamento tra la micro rete e la rete esterna si
realizza in maniera diretta tramite appositi interruttori predisposti nelle cabine elettriche di
interconnessione. In alternativa può essere considerato anche una interconnessione mediante
convertitore statico. E’ il caso di una micro rete per la quale risulti troppo difficoltoso gestire
la frequenza di rete in sincronia con la frequenza della rete principale oppure si renda
necessaria una conversione di frequenza (per esempio, da 50 a 60 Hz o viceversa). In tal caso
si ricorre a convertitori statici che strutturalmente sono analoghi a quanto mostrato in fig. 9
che realizzano una connessione back-to-back. Anche in questo caso si possono fare
considerazioni similari a quelle espresse per la generazione distribuita e che per brevità non
vengono trattate.
7 Il controllo e supervisione della micro rete intelligente.
La micro rete intelligente è dotata di un proprio sistema di comando, di controllo e di
supervisione. [6], [7], [8]. Questo sistema è basato sulla tecnologia Artics Smart Energy e
provvede a diverse funzionalità, tra le quali:
� il controllo e la gestione dei flussi di energia.
Il sistema di controllo e di gestione ha lo scopo di realizzare la migliore prestazione possibile
dell’intero sistema mediante l’ottimizzazione sia della produzione di energia (interna o di
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scambio con la rete esterna) sia dell’utilizzo della stessa da parte dei carichi sia dell’eventuale
accumulo in sistemi di immagazzinamento.
Questa funzionalità si basa su una serie fitta di informazioni provenienti dalle varie
apparecchiature e dai vari sensori di campo che servono da un lato a quantificare la capacità
di produzione di energia sia attuale che di breve periodo per ogni tipologia di fonte e dall’altro
a quantificare sia il consumo attuale che le previsioni di consumo per il breve periodo.
L’analisi di questi dati consente di definire la migliore strategia di produzione, il livello di
interscambio con la rete esterna (sia esso prelievo oppure cessione), l’eventuale necessità di
diminuire o di livellare nel tempo la potenza assorbita da alcuni carichi mediante logiche di
priorità e il livello di interscambio con i sistemi di accumulo.
Si persegue in tal
modo l’obiettivo di
sfruttare al
massimo il
contributo delle
fonti rinnovabili e
di controllare i
picchi di domanda
di energia. Le
funzioni principali
svolte dal sistema
di controllo sono
quindi:
- l’analisi dei livelli
di potenza attiva e
reattiva
complessivi, il
confronto con i
livelli ottimali oppure impostati e gli interventi necessari per sostenere questi livelli attesi.
- il metering per valutare la qualità della potenza ed il coordinamento dei sistemi di
compensazione
- il rilievo di eventuali disturbi con l’attivazione dei dispositivi di protezione interni, l’analisi
se tali disturbi siano di origine interna alla micro rete o meno, e la eventuale decisione se
mantenersi connessi alla rete oppure passare alla modalità in isola (quest’ultima attivata solo
se permessa dai regolamenti).
� la supervisione dell’intero impianto.
Il monitoraggio in tempo reale della micro rete è necessario per fornire al personale operativo
le informazioni sullo stato del sistema e sugli interventi che si rendessero necessari sia per
manutenzione che per risoluzione di ogni disservizio.
Il sistema di supervisione centrale deve essere in grado di garantire un adeguato throughput
nei confronti dei sistemi periferici collegati, da cui prelevare le informazioni locali sullo stato
di funzionamento e deposita eventuali comandi necessari al coordinamento delle funzioni. Le
principali azioni nei confronti della micro rete sono:
- avvio ed arresto dei sistemi di produzione locale di energia
- gestione dei sistemi di accumulo
- controllo e gestione dei sottosistemi utilizzatori
- gestione dei percorsi alternativi per il prelievo di energia da parte di un carico.
Non da ultimo, questi dati possono essere scambiati con altri sistemi esterni per un corretto
inserimento della micro rete in un sistema elettrico più ampio.
� la gestione delle condizioni di guasto esterno.
Figura 14-Schema di principio controllo e supervisione micro-rete.
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La micro rete intelligente può essere progettata per avere una capacità di funzionamento
indipendente dalla presenza della rete esterna. Se la micro rete è dotata di un opportuno livello
di produzione interna unitamente ad una capacità di immagazzinamento, nel caso di mancanza
della rete esterna essa può funzionare in modalità “isola”.
La modalità in isola può essere particolarmente utile a fronte di interruzioni di breve periodo.
In tal caso i sistemi di immagazzinamento svolgono un ruolo essenziale nel sostenere la micro
rete. Il sistema di controllo deve quindi riconoscere quando una simile situazione sta per
manifestarsi e deve provvedere di conseguenza alla gestione dei flussi di energia in modo tale
da non superare le capacità di produzione interna, tenendo conto anche della capacità di
immagazzinamento.
8 Struttura del sistema di comando, controllo e supervisione.
Pur essendo la micro rete intelligente un sistema limitato in termini sia di potenza installata
che di zona geografica
sono molteplici le
apparecchiature che
vanno governate e la
mole di dati da
raccogliere ed
analizzare può
diventare enorme.
Il sistema di governo
della micro rete
intelligente si fonda su
una struttura
gerarchica dotata di
una struttura centrale
che dialoga con
molteplici sistemi di
controllo e
monitoraggio distribuiti
sul territorio. La figura
14 ne illustra la visione
di insieme.
La suddivisione logica
delle funzioni di
controllo locale è
definita dalla struttura
dei componenti della
rete e si possono così
individuare quattro
tipologie di
sottosistemi:
i generatori distribuiti, i
carichi, l’interfaccia
verso la rete elettrica
esterna ed i sistemi di
accumulo di energia.
Mentre i generatori ed i
Figura 15- Schema di principio controllo e supervisione per DG.
Figura 16- Schema di principio controllo e supervisione dei carichi.
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sistemi di accumulo sono di solito in numero limitato e come tali possono essere considerati
singolarmente, per i carichi la situazione è molto diversa essendo questi ultimi molto
frammentati. I carichi vengono quindi gestiti in gruppi determinati o dalla funzione svolta o
dal luogo di installazione fisica.
Ogni sottosistema è dotato di un proprio sistema di controllo e monitoraggio locale preposto
allo svolgimento delle funzioni di comando e di monitoraggio delle singole apparecchiature,
in grado di colloquiare col sistema centrale tramite una rete dati veloce e sicura. A sua volta
ogni sistema di controllo e monitoraggio locale viene collegato alle varie apparecchiature ed
ai sensori di campo per una raccolta dati capillare con reti di campo.
9 Controllo locale.
Il controllo locale è chiamato a svolgere a livello delle singole apparecchiature le funzioni di
comando partendo dalle richieste del sistema centrale, dedotte sulla più ampia scala dell’intera
micro rete.
Nel caso dei
generatori distribuiti
esso sarà chiamato in
primo luogo a
svolgere le
funzionalità già
richiamate nel par. 3 e
4. In aggiunta a
queste, per le sorgenti
rinnovabili, sono
previste le funzionalità
della ricerca del punto
di massima potenza e
della previsione di
produzione futura. La
previsione della produzione
è un parametro importante
stante l’incostanza e la
dipendenza da fattori fisici
della stessa. Con particolari
algoritmi è possibile
elaborare i dati da sensori
di campo e da dati storici al
fine di prevedere una
evoluzione nel breve
periodo.
Così facendo si ottiene di
sfruttare al massimo le
fonti rinnovabili e di dare
la corretta informazione al
sistema centrale per la gestione complessiva della produzione, dello scambio con la rete
esterna e dello scambio con i sistemi di accumulo. La rete di sensori connessi ai campi
fotovoltaici ed eolici serve alla raccolta dati per le funzioni sopracitata, secondo lo schema di
principio di fig. 15.
Figura 17- Architettura sistema di monitoraggio e controllo locale.
Figura 18- Rete dati per micro rete intelligente.
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Nel caso dei carichi il sistema locale deve innanzi tutto gestirne la priorità. Con riferimento
alla fig. 16, il controllo locale dei carichi sulla base della consegna di energia stabilita dal
sistema centrale deve attuare una strategia per evitare picchi di domanda che potrebbero
essere in eccesso a quanto disponibile.
Il sistema locale deve raccogliere i dati storici sui consumi ed elaborarne una previsione della
loro evoluzione nel breve periodo. Tale informazione viene mandata al sistema centrale di
controllo della micro rete. Un’altra importante funzione svolta dal controllo locale consiste
nel fornire all’utente una serie di informazioni sui consumi, sulla disponibilità di energia, sui
costi dell’energia e sui parametri di efficienza energetica.
La fig. 17 mostra con maggior dettaglio la generica architettura dei sistemi di controllo e di
monitoraggio.
10 Le reti di comunicazione.
L’infrastruttura delle comunicazioni di una micro rete intelligente deve essere in grado di
gestire il flusso delle informazioni necessarie per un corretto funzionamento della micro rete
stessa, permettendo il collegamento dei vari livelli comunicativi, a partire dalle reti di campo
per l’acquisizione dei dati di funzionamento dei vari sistemi generatori/utilizzatori, fino allo
scambio delle informazioni prioritarie che vengono utilizzate dal sistema di controllo centrale
per la gestione complessiva della rete.
La fig. 18 mostra le principali strutture usate in funzione del tipo di connessione da realizzare.
L’architettura delle comunicazioni prevede quindi i seguenti aspetti fondamentali:
1. Sicurezza fisica dei dati
2. Privacy
3. Virtual Power Plants
4. Smart Metering
5. Networking per le reti locali (LAN) per la gestione dei parchi di generazione
distribuita e rinnovabile o per l’energy management di impianti utilizzatori industriali
o residenziali/commerciali
6. Infrastruttura delle comunicazioni per lo storage e la gestione dei veicoli elettrici
7. Monitoraggio e controllo in area estesa (WAN)
Le reti dati che collegano i vari sistemi tra loro rispondono ad esigenze di vario tipo e per
questo vengono generalmente utilizzati protocolli diversi con diverse tempistiche di
acquisizione.
Così ad esempio per le reti di collegamento dei sensori al sistema locale possono venire
utilizzati fieldbus basati su comunicazioni seriali (Modbus, CAN) o sui più evoluti bus basati
su Ethernet industriale (EtherCAT, ProfiNet), mentre salendo di livello la struttura delle
comunicazioni diventa quella tipica delle strutture IT, con collegamenti basati su rete Ethernet
e standard come IEC61850. Da ultimo, passando ancora su scala più ampia, il collegamento
tra le varie unità di controllo fa uso ancora di Ethernet, utilizzando pero gli standard tipici
dell’ambiente Internet (VPN e servizi Web).
11 Esempio applicativo
Un caso concreto di applicazione del progetto Zeus è mostrato nella fig. 19. Si tratta di una
applicazione in una zona remota non servita da linee elettriche, nella quale è prevista la
installazione di una stazione elettrica per produrre energia per l’azionamento di un sistema di
pompaggio. Allo scopo, la stazione elettrica è dotata di gruppi diesel-elettrici e di un sistema
fotovoltaico. I due sistemi possono funzionare sia da soli che in parallelo tra loro. La priorità
di produzione è assegnata al sistema fotovoltaico. Quando quest’ultimo viene meno durante le
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ore serali e notturne subentra il gruppo diesel. Per attuare un programma di questo tipo è
previsto un sistema di comando controllo e supervisione che presiede sia alla gestione della
stazione elettrica sia alla gestione dei carichi allo scopo di ottimizzare l’uso dell’energia e di
massimizzare la produzione per via fotovoltaica. Il sistema di controllo e di supervisione è
realizzato con la tecnologia Artics Smart Energy.
12 Conclusione.
Il progetto Zeus illustrato in questo articolo vuole essere una soluzione al problema
dell’efficienza energetica, del
risparmio energetico ed alla
integrazione delle sorgenti di energia
distribuita, in prevalenza di origine
rinnovabile, mediante un modello del
tipo “bottom-up”. Il progetto Zeus ha
alla sua base la micro rete intelligente
che costituisce la cella elementare del
modello proposto. Quest’ultima è
predisposta per servire una porzione
limitata di utenze o di territorio,
avendo la capacità di integrare su
piccola e media scala le sorgenti
distribuite di energia con le utenze
interconnesse. Essa utilizza una
tecnologia provata da anni in campo
industriale sia come apparecchiature
di potenza che di comando controllo e
supervisione.
La micro rete diviene quindi
“intelligente” grazie a moderne
tecniche di controllo e di supervisione
le quali consentono di superare le
problematiche introdotte negli ultimi
anni dal progressivo estendersi delle
sorgenti rinnovabili a carattere
aleatorio.
A questo risultato si aggiunge il
conseguimento dell’obbiettivo di
efficienza e di risparmio energetico, mediante l’uso controllato dei carichi con le più recenti
tecniche di regolazione.
Il modello di micro rete intelligente è flessibile in quanto è integrabile nei sistemi elettrici
esistenti senza particolari accorgimenti ed è anche adatto alla elettrificazione di zone dove
oggi non c’è disponibilità di energia elettrica senza dover ricorrere al trasporto su lunga
distanza mediante apposite linee.
13 Bibliografia.
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Figura 19- Micro rete intelligente per sistema remoto.
14
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